我國天文學(xué)家提出同時揭秘宇宙第一代星系和暗物質(zhì)的新方法

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據(jù)中國科學(xué)院國家天文臺網(wǎng)站消息，北京時間2023年7月7日凌晨，國際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》（Nature Astronomy）在線發(fā)表了中國科學(xué)院國家天文臺和東北大學(xué)合作研究的一項重大成果。這項理論研究提出，利用宇宙黎明時期21厘米森林信號的一維功率譜測量，未來的平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）將能夠同時揭秘宇宙第一代星系和暗物質(zhì)的性質(zhì)。中科院國家天文臺徐怡冬副研究員、陳學(xué)雷研究員和東北大學(xué)張鑫教授為論文共同通訊作者。

宇宙中第一代星系是如何形成的？它們?nèi)绾握樟梁诎禃r代并迎來宇宙黎明？宇宙早期的星系際介質(zhì)是如何被第一代星系電離并加熱的？這些問題一直是天文學(xué)領(lǐng)域致力于解答的重大科學(xué)難題。中性氫的21厘米譜線為宇宙黎明與第一代星系提供了獨一無二的探測手段，利用21厘米譜線探測宇宙黎明與再電離也是平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）最重要的科學(xué)目標(biāo)之一。

中性氫的21厘米信號有多種觀測模式。常見的觀測模式是以宇宙微波背景輻射為背景源的21厘米信號測量。同時，宇宙早期各種結(jié)構(gòu)及其周圍的氫原子氣體會在高紅移射電點源的光譜上產(chǎn)生密集的21厘米吸收線，這些吸收線叢被形象地稱為21厘米森林（圖 1）。由于信號微弱，且依賴于宇宙黎明時期的射電亮源的獲取，多年來21厘米森林探測面臨極大挑戰(zhàn)。另一方面，21厘米森林信號同時受到第一代星系加熱效應(yīng)和暗物質(zhì)性質(zhì)的影響，觀測上很難區(qū)分這兩種效應(yīng)，使得21厘米森林探測在提出以來的二十多年中，難以實際用于限制第一代星系的熱效應(yīng)或暗物質(zhì)的性質(zhì)。

此項工作深入研究了過去鮮有論及的21厘米森林探針，并提出了一種原創(chuàng)性的統(tǒng)計測量方案，使之不僅能夠限制宇宙第一代星系的性質(zhì)，還可以同時測量暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量。

近年來，已有一批高紅移射電噪的類星體被發(fā)現(xiàn)，而且SKA望遠鏡也已進入工程建設(shè)階段，開展21厘米森林觀測已迫在眉睫?！拔覀円庾R到由溫暗物質(zhì)效應(yīng)和加熱效應(yīng)引起的信號變化，在光譜上的尺度分布特征不同，因此通過一維功率譜分析，將可以從統(tǒng)計上提取關(guān)鍵特征以區(qū)分這兩種效應(yīng)?！毙焘榻B說，“而且，如果對同一段光譜的兩次測量做互相關(guān)，將能夠顯著壓低噪聲，從而提高信噪比。這對21厘米森林這種弱信號的提取是非常關(guān)鍵的?！?/p>

模擬結(jié)果顯示，一維交叉功率譜測量顯著提高了觀測的靈敏度，同時，一維功率譜的幅度和形狀特征使得信號的尺度依賴性被顯現(xiàn)出來（圖 2）。這使得21厘米森林變得切實可行，且能夠同時測量暗物質(zhì)粒子質(zhì)量和宇宙黎明時期的熱歷史。因此，21厘米森林的一維功率譜確實可以成為一箭雙雕的宇宙學(xué)探針，為揭開暗物質(zhì)和第一代星系之謎提供了一種極有前景的新途徑。

徐怡冬和張鑫應(yīng)邀為《自然·天文》專門撰寫了介紹性短文。國際著名專家、加拿大圓周理論物理研究所的Katherine Mack教授在《自然·天文》評論道：“這項研究提出了一種有趣的方法，利用21厘米森林功率譜同時限制兩種現(xiàn)象：宇宙X射線對星系際介質(zhì)的加熱以及溫暗物質(zhì)的可能效應(yīng)。雖然以前的研究已經(jīng)檢查了21厘米森林作為星系際介質(zhì)探針的可能性，但將溫暗物質(zhì)效應(yīng)作為一個獨立信號包含進來則為未來的觀測提供了一個新的科學(xué)目標(biāo)?！?/p>

《自然·天文》的編輯團隊也針對這項研究發(fā)表了評論：“我們宇宙的最遠處總是極為神秘，由于被塵埃、吸收光的原子和中間介質(zhì)中的氣體阻擋而很難直接觀測。這項研究將吸收轉(zhuǎn)化為一種優(yōu)勢，利用它打破了其他方法所遭遇的不同效應(yīng)的簡并，并可用于闡明早期宇宙的結(jié)構(gòu)形成。”

這一突破性方法的發(fā)展對于解開暗物質(zhì)和宇宙早期天體形成的奧秘具有重要意義，將進一步推動我們對暗物質(zhì)的理解，揭示宇宙結(jié)構(gòu)形成及演化的過程。通過更深入的觀測和分析，我們有望在不久的將來獲得關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)和早期星系形成的更多見解，進一步拓展我們對宇宙的認知。

該項研究由國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學(xué)基金項目資助。

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